阿克苏河灌区作物理论需水量的时空分布特征

张 辉， 徐永军， 张 超， 刘江华

(1.塔里木河流域阿克苏管理局, 新疆 阿克苏 843300； 2.西南林业大学 林学院， 云南 昆明 650224)

阿克苏河灌区作物理论需水量的时空分布特征

张 辉1， 徐永军1， 张 超2， 刘江华2

(1.塔里木河流域阿克苏管理局, 新疆 阿克苏 843300； 2.西南林业大学 林学院， 云南 昆明 650224)

[目的] 研究阿克苏河灌区作物的理论需水量的时空变化特征，为该区水资源科学管理、高效利用提供理论依据。 [方法] 基于灌区内1972—2014年6个气象台站的逐日气象观测数据，采用FAO修正的Penman-Monteith模型，计算参考作物蒸发蒸腾量(ET0)，进行空间数据的插值分析，对阿克苏河灌区作物的理论需水量特征分别在空间和时间两个维度上进行探讨。 [结果] (1) 阿克苏河灌区多年平均ET0介于1 118～1 241 mm之间，呈现中部以北地区较低，西南部、南部地区较高的规律； (2) 春季和夏季的ET0最高，5，6，7月的月均ET0合计为533 mm，是作物最需要水分补给的重要时段； (3) 自20世纪70年代至今，作物年均蒸发蒸腾量呈现逐渐降低的趋势，2010年以后的变化趋势较为显著； (4) 灌区各季节及全年的ET0变化均呈现S形曲线分布，至2014年已接近波谷并有抬升趋势。 [结论] 在气候变化背景下，阿克苏河灌区作物的理论需水量随时间变化显著，春夏季受蒸腾作用影响是需要补水的关键时期，年际变化呈波动抬升趋势；在空间上亦呈现明显地带分异特点，呈南高北低的特征。

作物理论需水; 参考作物蒸发蒸腾量； 时空分布; 阿克苏河

近年来，随着阿克苏河灌区需水农业和林果业的快速发展，水资源需求量不断增加[1]。2014年，灌区主要作物(包括棉花、土豆、小麦、玉米和水稻等)和经济林(包括核桃、苹果、葡萄和枣等)种植总面积已达8.87×105hm2，出现了较为突出的水资源供需矛盾及无序开发利用等问题[2-3]。通过对长时间序列气象数据的统计分析，提取和计算阿克苏河灌区需水作物和植被的理论需水量，能够较为准确地为阿克苏河灌区水资源管理提供基础依据，实现水资源在灌区内的统一管理和优化配置，以克服传统的仅凭经验配水、上下游水资源调配不均、水资源配置空间分布不合理等弊端，对实现可持续农业具有较为深远的理论和现实意义。

作物理论需水量亦称为参考作物蒸发蒸腾量，是发生在土壤—植被—大气系统体系内的复杂的连续过程[4]。计算参考作物蒸发蒸腾量的方法较多，常用方法包括水量平衡法、气象数据估算法、仪器测量法和能量平衡法等[5-8]。本研究根据研究区需水作物和植被的特点，结合当地气候、地形等特征，基于覆盖研究区的6个国家一、二级气象自动观测台站逐日观测数据，选取了1998年世界粮农组织(FAO)修正的Penman-Monteith模型[9-11]计算参考作物蒸发蒸腾量(ET0)，分析阿克苏河灌区作物的理论需水量的时空变化特征，旨在为今后阿克苏河灌区水资源科学管理、高效利用提供理论依据。

1 研究区概况

阿克苏河灌区位于天山南麓中段西部、塔里木盆地西北边缘，地处东经78°46′—82°44′，北纬40°7′—41°35′之间。属温带大陆性干旱气候，常年干旱少雨、蒸发强烈，年均降水量64 mm，年均蒸发量1 890 mm。寒冬酷夏，昼夜温差大，年均气温9.2～12 ℃，极端最高气温40.2 ℃，极端最低气温-27.6 ℃。光照充足，年均日照时数2 850 h。属河谷平原地貌，土壤肥沃，宜农宜牧。阿克苏河灌区总面积2.21×106hm2，其中，耕地面积为5.86×105hm2，占灌区总面积的26.51%；园地面积为3.01×105hm2，占灌区总面积的13.60%。涉及乌什县、温宿县、阿克苏市、阿瓦提县、柯坪县共5个县市的部分区域和新疆生产建设兵团农一师16个团场。

2 研究方法

2.1 气象数据收集

收集了阿克苏河灌区及周边地区的共6个国家一、二级气象自动观测台站1972—2014年的日平均气温、日最高气温、日最低气温、日平均相对湿度、日平均风速和日照时数等数据(来源于国家气象中心地面气候资料日值数据集)。涉及到的6个气象台站分别为：阿克苏(站点号51628)、拜城(站点号51633)、库车(站点号51644)、阿合奇(站点号51711)、柯坪(站点号51720)和阿拉尔(站点号51730)。

2.2 ET0模型估算

参考作物蒸发蒸腾量的估算方法有很多，是一种假想的参考作物冠层的蒸发蒸腾速率。假设参考作物的平均高度为0.12 m，固定叶面阻力为70 s/m，叶面反射率为0.23，类似于表面开阔、高度一致、生长旺盛、完全覆盖地表的绿色草地的蒸发蒸腾速率[12]。本文采用1998年世界粮农组织(FAO)修正的Penman-Monteith模型计算参考作物蒸发蒸腾量(ET0)，计算模型为：

(1)

式中：ET0——参考作物蒸发蒸腾量(mm/d)； Rn——作物表面的净辐射量〔MJ/(m2·d)〕； G——土壤热通量〔MJ/(m2·d)〕； T——2m高度上的平均气温(℃)； U2——2m高度上的平均风速(m/s)； es——饱和水汽压(kPa)； ea——实际水汽压(kPa)；Δ——饱和水汽压与温度曲线的斜率(kPa/℃)；γ——干湿表常数(kPa/℃)。各参数的计算方法详见参考文献[13-15]。

2.3 空间插值及曲线拟合

计算6个站点的ET0的年际变化、季节变化，采用反距离权重法(IDW)对6个站点的数据进行空间数据内插；采用多元曲线回归法，拟合ET0的变化趋势。

3 结果与分析

3.1 多年平均ET0空间分布

ET0的空间分布与气候条件和地形地势有紧密关系。阿克苏河灌区常年干旱少雨、蒸发量大；在地势上呈现西北高、东南低的趋势，地形自西北向东南倾斜，灌区北部为山区，中部为谷地平原，东南部与沙漠接壤。计算结果表明，阿克苏河灌区多年平均ET0介于1 118～1 241mm之间。中部以北地区受年降水量、风速和日照等气象因子的影响，ET0介于1 118～1 174mm之间，相对偏低；西南部、南部地区ET0相对较高，介于1 165～1 241mm之间。总体上，灌区年均ET0为1 166mm。

阿克苏河灌区ET0的季节分布不均匀。春、夏、秋、冬季的多年平均ET0分别为376，525，212，67mm。空间分布方面，春、夏、秋、冬季多年平均ET0基本呈现与全年平均一致的规律，即中部以北地区相对偏低，西南部、南部地区相对较高。在进行水资源空间配置时，应重点加强西南部、南部地区需水作物和植被的水源供应，以实现灌区灌溉用水的合理布局。

一年中，作物的蒸发蒸腾主要发生在春季和夏季，占全年蒸发蒸腾量的76.4%，为了给作物提供更好的生长条件、提高生长效率，应在春夏季特别是夏季保障供应足够的灌溉用水；秋季和冬季则相对较少，仅占全年蒸发蒸腾量的23.6%。具体月份方面，5，6，7月的月均ET0合计为533mm，占全年的45.1%，是全年中作物蒸发蒸腾最旺盛的时段；1，2，11，12这4个月的月均ET0合计为99mm，仅占全年的8.4%(图1)。

图1 阿克苏河流域月份参考作物蒸发蒸腾量空间分布

图2 阿克苏河流域参考作物蒸发蒸腾量年际变化

3.2 长时间序列ET0变化分析

受全球气候变化的影响，阿克苏河灌区近43a间在降水量、风速、日照、气温和冰川融雪量等方面均有不同程度的变化，加之需水作物和植被的面积不断增加，作物需水量亦随之发生了较大变化。总体上，受气温和降水量的影响，灌区作物自20世纪70年代至今，参考作物年均蒸发蒸腾量呈现逐渐降低的趋势(表1，图2)。需要注意的是，作物年均蒸发蒸腾量逐渐降低并非意味着灌区作物需水量绝对值在减少，仅能反映单位面积上的参考作物蒸发蒸腾量的降低。近年来，随着灌区内集约化农业生产的快速发展以及耕作面积的不断增加，作物实际需水量实际呈现增加的趋势；另外，受全球气候变化的影响，作为灌区灌溉用水的主要补给来源，冰川融雪后的地表径流量逐年减少且呈现波动变化。因此，在水资源管理工作中，需要综合考虑以上各影响因素，才能实现高效用水、合理分配。

表1 阿克苏河流域参考作物蒸发蒸腾量年代际变化

3.3ET0变化空间分布

由阿克苏河灌区各时期ET0的距平空间分布插值结果分析可知，总体上，阿克苏河灌区各时期ET0的变化较为显著，灌区整体呈现逐渐降低的趋势。20世纪70年代期间，各站点的ET0均高于平均值，其中，灌区南部较高，西北部较低，呈现由西北向东南逐渐升高的趋势。20世纪80年代，中北部地区(阿克苏市北部、温宿西南部)变化较大，主要受当时降水量的影响；西南部(阿瓦提县中部)和西北部(乌什县中部)较70年代亦有不同程度的升高。20世纪90年代至21世纪初，因同时期降水量相对偏高，导致整个灌区的平均ET0均降低，变化最为显著的是灌区南部(阿克苏市中部)。进入2010年后，阿克苏市北部和温宿西南部因干旱少雨导致ET0升高，阿克苏市中部则出现较大幅度的降低。

3.4ET0变化趋势分析

通过曲线回归的不同方法的对比结果分析可知，采用三次多项式回归模型的拟合结果最为理想，除冬季外，春、夏、秋和全年的回归模型R2值均在0.65以上。各季节及全年的ET0变化均呈现S形曲线，至2014年已接近波谷并自此有抬升趋势。气候条件诸如降水量、风速、日照和气温等在长时间序列上的变化是有规律的，基本呈现S形曲线趋势，以上变化曲线恰好反映了ET0的变化主要受如上气候条件变化的影响。分析可知，2014年以后ET0的变化趋势是向升高的方向发展的，即单位面积上、单位时间内参考作物的蒸发蒸腾量升高。要满足作物的正常生长，需要更多的水分补给。

4 结 论

(1) 阿克苏河灌区多年平均ET0介于1 118～1 241mm之间，受气候条件和地形地势的影响，灌区ET0呈现中部以北地区较低(1 118～1 174mm之间)，西南部、南部地区ET0相对较高(1 165～1 241mm之间)。

(2) 一年中，春季和夏季的ET0最高，占全年的76.4%，秋季和冬季则较少，仅占23.6%；5，6，7月的月均ET0合计为533mm，是作物最需要水分补给的时段，1，2，11，12这4个月的月均ET0合计仅为99mm。

(3) 自20世纪70年代至今，作物年均蒸发蒸腾量呈现逐渐降低的趋势。灌区南部为较为密集的农业耕作区，应重视该地区的水量分配。灌区各时期ET0的变化较为显著，整个灌区呈现逐渐降低的趋势，2010年以后的变化趋势较为显著。

(4) 灌区各季节及全年的ET0变化均呈现S形曲线，至2014年已接近波谷并有抬升趋势，今后的作物理论需水量将逐年增加。

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Temporal and Spatial Distribution of Theoretic Water Requirement of Crop in Aksu River Irrigation Area

ZHANG Hui1, XU Yongjun1, ZHANG Chao2, LIU Jianghua2

(1.AksuManagementBureauoftheTarimRiverBasin,Aksu，Xinjiang843300,China； 2.CollegeofForestry,SouthwestForestryUniversity,Kunming，Yunnan650224,China)

[Objective] This study aimed to explore the temporal and spatial distribution of theoretic water requirement of crop in Aksu River irrigation area. It would be the theory evidence for water resources management and high efficient utilization. [Methods] Based on the daily weather observation data of 6 meteorological stations during 1972—2014, the research was carried out using the correction model of Penman-Monteith which was recommended by FAO. The reference crop evapotranspiration(ET0) were calculated, and the spatial data interpolation was executed. The theoretic water requirement of crop in Aksu River Irrigation Area was discussed based on the dimension of temporal and spatial. [Results] (1) Annual mean ET0was between 1 118 and 1 241 mm. It showed a trend of gradually increasing from the northern area to the southern area. (2) The value of ET0was the highest in spring and summer. The total value of ET0was 533 mm in the months of May, June and July, a period having the most need for water supplement. (3) Yearly reference crop evapotranspiration showed a trend of gradually decrease since 1970 s, and a significant decreasing trend after 2010 s. (4) The ET0variation presented a S-type curve, after the year of 2014, it showed an increasing trend . [Conclusion] The theoretic water requirement of crop showed a significant change over time in Aksu River Irrigation Area in the context of climate change. Spring and summer were the critical periods of irrigation. It showed a fluctuated and inclined steadily trend. Zone differentiation characteristics were obvious.

theoretic water requirement of crop； reference crop evapotranspiration; temporal and spatial distribution； Aksu River

2015-09-18

2016-05-05

新疆维吾尔自治区水利厅科技支撑项目“塔里木河流域阿克苏灌区斑块类型动态变化遥感监测”(TGJAKS-SKS-2014-002)； 国家自然科学基金项目(31460195； 31660236)

张辉(1963—),男(汉族),甘肃省榆中县人,高级工程师,主要从事水资源管理及研究工作。E-mail: zhakesu@126.com。

刘江华(1970—)，男(汉族)，湖北省天门市人，博士，副教授，硕士生导师，主要从事植被生态学方面的研究。E-mail：583711802@qq.com。

10.13961/j.cnki.stbctb.2016.06.046

A

1000-288X(2016)06-0278-04

TV213.4， S127

文献参数： 张辉.阿克苏河灌区作物理论需水量的时空分布特征[J].水土保持通报，2016,36(6)：274-281.